Os semicondutores de banda larga (wide bandgap) redefiniram os limites de desempenho para conversão de energia. Os MOSFETs de carbeto de silício (SiC) e os HEMTs de nitreto de gálio (GaN) chaveiam em dezenas de nanossegundos, em vez das centenas de nanossegundos típicas dos IGBTs de silício, e fazem isso em tensões e temperaturas de junção mais altas. Essa velocidade é justamente o que os torna atraentes para inversores de tração de veículos elétricos, carregadores de bordo, fontes de alimentação de servidores e inversores de strings solares — componentes magnéticos menores, maior eficiência e maior densidade de potência. É também o que torna suas perdas de chaveamento realmente difíceis de medir com precisão.
Engenheiros de potência que tentaram caracterizar uma meia-ponte de SiC em bancada logo descobrem que as mesmas técnicas de medição que funcionavam bem para um IGBT de silício de 600 V começam a produzir resultados inconsistentes quando as taxas de variação da transição ultrapassam 50 V/ns e as taxas de variação da corrente excedem 1-2 A/ns. A instrumentação, e não apenas o dispositivo em teste, torna-se o fator limitante — e, dos dois canais que alimentam o cálculo de perdas, é na corrente que essa limitação se manifesta primeiro. Uma sonda de corrente CA/CC de banda larga, capaz de resolver uma transição rápida na escala de nanossegundos sem perder a corrente de polarização CC subjacente, é o que mantém a precisão do restante da cadeia de medição.
Por que a troca de medição de perdas fica mais difícil com dispositivos WBG
A perda de comutação é calculada integrando a potência instantânea — o produto da tensão dreno-fonte (ou coletor-emissor) e da corrente de dreno (ou coletor) — nos intervalos de transição de ativação e desativação. Teoricamente, isso é simples. Na prática, a precisão dessa integral depende inteiramente da fidelidade com que as formas de onda de tensão e corrente são capturadas, e três problemas se agravam particularmente com dispositivos WBG.
Largura de banda e tempo de subida. Um MOSFET de SiC que liga em 15-20 ns possui conteúdo espectral que se estende por centenas de megahertz. Uma sonda de corrente com largura de banda de 50 MHz ou 100 MHz — perfeitamente adequada para um IGBT de silício que chaveia em 200-300 ns — irá arredondar a borda de subida da transição, subestimar a corrente de pico e deslocar o tempo aparente do evento de chaveamento em relação à forma de onda da tensão. Qualquer um desses erros distorce diretamente a integral de energia.
Alinhamento de fase e temporização. Como o intervalo de comutação é muito curto, mesmo alguns nanossegundos de diferença entre os canais de tensão e corrente produzem um erro desproporcional no cálculo de Eon e Eoff. Uma discrepância de temporização de 5 ns, que seria um erro de arredondamento em uma transição de silício de 300 ns, pode alterar a perda calculada de uma transição de SiC de 15 ns em 20% ou mais. As diferenças de atraso de propagação entre as pontas de prova, que geralmente são ignoradas em configurações de teste da era do silício, não podem ser ignoradas aqui.
Impedância de inserção e efeitos parasitas do circuito. Qualquer sonda de corrente adiciona alguma impedância em série e indutância de loop ao caminho de medição. Nos níveis de di/dt produzidos por dispositivos WBG, mesmo alguns nanohenries de indutância adicionada geram oscilações mensuráveis e sobretensão que não faziam parte do comportamento de chaveamento nativo do dispositivo. A sonda torna-se parte do circuito em teste, em vez de um observador passivo dele — e é exatamente por isso que a construção física da sonda de corrente, e não apenas sua especificação de largura de banda, precisa ser avaliada para aplicações com WBG.
Por que o Sonda de corrente CA/CC é o fator decisivo
Das duas formas de onda necessárias para o cálculo de perdas de comutação, a corrente é de longe a mais difícil de capturar com precisão, e a escolha da sonda de corrente geralmente é o que diferencia um valor confiável de Eon/Eoff de um valor aparentemente plausível, mas incorreto. A tensão pode ser medida com uma sonda diferencial de alta tensão bem compensada, posicionada próxima aos terminais do dispositivo com área de espira mínima — uma medição comparativamente madura e tolerante. A medição de corrente precisa resolver simultaneamente a largura de banda da sonda, a impedância de inserção, o comportamento de saturação do núcleo e, para dispositivos que apresentam uma corrente de polarização CC substancial sobreposta ao transiente de comutação, a capacidade de resolver uma transição CA rápida sobreposta a um grande offset CC sem distorcer nenhum dos dois.
É neste último requisito que uma sonda de corrente CA/CC projetada especificamente para essa finalidade se destaca, e onde uma sonda projetada para um regime ou outro fica aquém. Um teste de pulso duplo em um dispositivo de SiC ou GaN geralmente envolve correntes no indutor na ordem de dezenas de amperes, com a própria transição de chaveamento ocorrendo em nanossegundos de um dígito. Uma sonda de transformador de corrente somente CA não consegue reportar a componente CC em regime permanente, já que um TC não responde em frequência zero — ele mostrará a borda, mas perderá a linha de base da qual está chaveando. Uma sonda de efeito Hall somente CC, por outro lado, normalmente não possui largura de banda suficiente para rastrear uma borda de 15 a 20 ns sem arredondá-la. Nenhuma delas, usada isoladamente, produz uma forma de onda que represente o comportamento real do dispositivo.
Uma sonda de corrente CA/CC resolve isso combinando ambos os elementos de detecção em um único caminho de medição — um sensor de efeito Hall que fornece uma resposta precisa desde CC até a faixa de baixa frequência, e um caminho baseado em transformador de corrente ou shunt que lida com o conteúdo rápido e de alta frequência da borda de comutação — com os dois sinais recombinados internamente em uma única saída contínua. Quando bem feito, isso produz uma forma de onda plana em toda a faixa de frequência relevante para um evento de comutação WBG: precisa no nível de polarização CC em que o indutor está operando e precisa durante o transiente em escala de nanossegundos sobreposto a ele. Essa resposta combinada é o que torna a integral de potência v(t)×i(t) resultante — e, portanto, os valores de Eon/Eoff derivados dela — significativos, em vez de um artefato de qual metade da forma de onda a sonda capturou bem.
Como essa arquitetura de dupla detecção desempenha dupla função, nem todas as sondas de corrente CA/CC disponíveis no mercado são igualmente adequadas para trabalhos com WBG. Algumas especificações são mais importantes do que o valor da largura de banda indicado na folha de dados:
- Tempo de subida em relação ao dispositivo em teste. Como regra geral, o tempo de subida da sonda deve ser pelo menos três a cinco vezes mais rápido que a borda mais rápida que está sendo medida, para que a própria resposta da sonda não domine a transição registrada.
- Atraso de propagação e adaptação de atraso. Os fabricantes normalmente publicam um valor fixo para o atraso de propagação; esse valor precisa ser conhecido e compensado, e não considerado desprezível.
- Baixa impedância de inserção. As sondas de fixação de núcleo dividido, com pequena abertura e curto comprimento do percurso da corrente, minimizam a indutância adicional no circuito de comutação.
- Gerenciamento de corrente de offset CC. A sonda precisa de uma faixa dinâmica adequada para capturar toda a corrente de polarização CC sem saturar o núcleo durante o pico do transiente de comutação, onde a corrente pode aumentar muito acima dos níveis de estado estacionário.
- Uma transição suave entre o caminho CC/baixa frequência e o caminho CA. Esta é a especificação exclusiva das sondas de corrente CA/CC e a mais frequentemente negligenciada. Se a transição entre os estágios de efeito Hall e transformador de corrente não estiver bem ajustada em ganho e fase, a forma de onda recombinada apresenta uma elevação, queda ou falha de temporização exatamente na frequência de cruzamento — muitas vezes coincidindo com a faixa de frequência onde a energia da borda de comutação está concentrada.
Um fluxo de trabalho de medição prático
A maior parte da caracterização de perdas por comutação em dispositivos de SiC e GaN é feita usando o teste de pulso duplo (DPT), que isola um único evento de ativação e desativação sob condições controladas de corrente e tensão, sem o acúmulo térmico da comutação contínua. A obtenção de valores confiáveis de Eon/Eoff em uma configuração DPT geralmente segue uma sequência consistente:
1. Corrija a assimetria dos canais de tensão e corrente antes de coletar quaisquer dados. Isso é feito aplicando um sinal conhecido — geralmente uma transição rápida de um gerador de pulsos — simultaneamente através da sonda de corrente e da sonda de tensão usando um dispositivo de correção de inclinação, e então aplicando um deslocamento de tempo no osciloscópio até que as duas transições se alinhem. Ignorar essa etapa é a causa mais comum de valores errôneos de perda de comutação em testes de WBG.
2. Posicione a sonda de corrente no circuito de comutação com a menor área adicional possível. A ponta de prova deve ser posicionada o mais próximo possível do dispositivo em teste, idealmente no terminal de fonte ou dreno, em vez de mais distante na placa de circuito impresso, para evitar a captura de oscilações indutivas espúrias que não representam o comportamento de comutação intrínseco do dispositivo.
3. Verifique a largura de banda da sonda em relação às taxas de borda observadas reais, e não às taxas presumidas. Vale a pena capturar uma transição de ativação e verificar os valores medidos de dV/dt e dI/dt em relação à largura de banda especificada da sonda antes de confiar nos valores de energia resultantes — a variação entre dispositivos e entre drivers de porta pode elevar as taxas de variação acima do esperado.
4. Integrar a potência em uma janela definida de forma consistente. Eon e Eoff são normalmente definidos como a integral de v(t)×i(t) desde o ponto em que a tensão ou a corrente se desvia pela primeira vez do seu valor de estado estacionário até o ponto em que ambas se estabilizam dentro de uma porcentagem definida do valor final. O uso de uma janela consistente e documentada é importante ao comparar os valores de perda entre diferentes dispositivos, resistências de porta ou temperaturas.
5. Repita em toda a faixa de operação. Como a perda de comutação em dispositivos WBG é fortemente dependente da corrente, da tensão do barramento, da resistência da porta e da temperatura da junção, um único ponto de dados em uma condição de operação específica diz muito pouco sobre como um dispositivo se comportará em toda a faixa de valores exigida por uma aplicação. Curvas de perda em função da corrente e da tensão, obtidas em múltiplas temperaturas, são o que alimenta um modelo de eficiência realista.
As escolhas de instrumentação influenciam o projeto.
Os dados de perdas de comutação obtidos em testes de bancada são fundamentais para o projeto térmico, o dimensionamento do dissipador de calor e as metas de eficiência do sistema final. Um valor de Eoff subestimado, resultante de uma sonda de corrente com largura de banda insuficiente, pode levar a um dissipador de calor subdimensionado e a um problema de margem térmica que só se manifesta quando o produto já está em uso. Por outro lado, artefatos de medição causados por indutância excessiva de inserção da sonda podem fazer com que um dispositivo pareça ter um desempenho pior do que o real, levando a decisões térmicas e de redução de potência excessivamente conservadoras — e mais caras.
Considerando a influência direta desses números nas decisões de projeto subsequentes, a sonda de corrente usada para caracterização de perdas de comutação merece pelo menos tanta atenção quanto os próprios dispositivos de potência — e, especificamente para trabalhos com WBG (Wide Band Grating), isso significa uma sonda de corrente AC/DC em vez de uma alternativa somente AC ou somente DC. É o único equipamento de teste posicionado diretamente no caminho de comutação, responsável por registrar tanto a corrente de regime permanente da qual o dispositivo está comutando quanto o transiente em escala de nanossegundos pelo qual ele está comutando, sem adicionar sua própria distorção a nenhum deles. Largura de banda, atraso de propagação, impedância de inserção, faixa dinâmica DC e qualidade de crossover não são especificações secundárias para esta aplicação — coletivamente, elas determinam se os valores de Eon/Eoff resultantes refletem o dispositivo em teste ou as limitações da sonda que o mede. A escolha correta desse instrumento é, em um sentido muito concreto, o que torna todos os cálculos subsequentes de eficiência e térmicos confiáveis.